Почему управление роботами, дронами, гаджетами и прочими девайсами силой мысли — задача ближайшего времени

Операция по вживлению чипа-импланта в мозг, то есть по созданию действующего интерфейса мозг—компьютер, проведена в США. Пациент, бывший до этого полностью парализованным, может теперь, например, «силой мысли» управлять компьютерной мышью. В нашей стране исследования интерфейса мозг—компьютер также интенсивно развиваются.

Актуальные научно-технические направления в России

Научные исследования и разработки по нейроинтерфейсам в нашей стране осуществляет порядка 100 юридических и физических лиц. Их можно сгруппировать следующим образом:

• ряд организаций РАН (Институт биофизики клетки, Пущинский научный центр биологических исследований, Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова, Институт физиологии им. И. П. Павлова, Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии и пр.);
• медицинские учреждения, в том числе Московский областной научно-исследовательский клинический институт им. М. Ф. Владимирского (МОНИКИ), Московский научно-практический центр медицинской реабилитации, восстановительной и спортивной медицины департамента здравоохранения города Москвы, НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского, Сеченовский университет;
• вузы (МГУ, ВШЭ, Московский институт электронной техники, Южный федеральный университет, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина), Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта, Дальневосточный федеральный университет и др.);
• отраслевые научные центры, например Научно-исследовательский институт экономики и организации управления в газовой промышленности;
• инновационные малые предприятия, в частности томские ООО «Крэйн Брэйн» и ООО «НейроМех», московские ООО «Лаборатория знаний», ООО «Аурум-лайт» и ООО «Нейри», ООО «Вербатория: нейрометрия способностей» (Красногорск), ООО «3Д Инновации» (Санкт-Петербург) ООО «НейроИТ» (Ростов-на-Дону);
• индивидуальные изобретатели (Авдеев Артем Сергеевич, Кравченко Сергей Владимирович, Лезин Александр Андреевич и еще десяток-другой).

Так, ВШЭ работает в рамках проекта «Нейроинтерфейсы и цифровые инструменты для коррекции речевых расстройств» стратегического проекта «Устойчивый мозг: нейрокогнитивные технологии адаптации, обучения, развития и реабилитации человека в изменяющейся среде». Программа представляет собой приложение, которое включает в себя батарею тестов Центра языка и мозга для интраоперационного картирования речи: называние объектов, завершение предложений, повторение псевдослов и дискурс. Речевые тесты учитывают как лингвистические переменные (частотность и длина слов, произносительная сложность и т. д.), так и показатели других высших психических функции (внимание, память, управляющие функции) с учетом их влияния на речь и ее восстановление. Диагностика речевого нарушения поможет получить прогноз восстановления речи, подобрать методики реабилитации пациента и оценить динамику восстановления.

Исследователи из Сколтеха, Федерального центра нейрохирургии Минздрава РФ, Сеченовского университета и МГУ им. М. В. Ломоносова изучают мозговую активность у пациентов с имплантированными внутричерепными электродами — результаты помогут в создании нейроинтерфейсов и нового поколения протезов.

Выдержки из российской базы НИОКР

В российской базе НИОКТР числится более 200 относящихся к теме документов.

В частности, интересна разработка теоретических и практических основ асинхронных интерфейсов мозг—компьютер для распознавания моторики оператора путем классификации сигналов электроэнцефалограмм с применением сверточных нейронных сетей. Проект направлен на создание научно-технического задела с комплексной доработкой программно-аппаратной составляющей асинхронных интерфейсов мозг—компьютер. Реализация проекта заключается в исследованиях и разработке ряда решений как в аппаратной части, так и в программной составляющей. Предполагается создание математических моделей и алгоритмов предобработки данных, формирование вторичных параметров на основе сигналов электроэнцефалограмм (ЭЭГ), а также аугментации для точного распознавания моторики при использовании искусственных нейронных сетей. Существующие сейчас интерфейсы мозг—компьютер базируются на методах анализа частотной области, временной области, частотно-временной области с применением различных нелинейных методов. Общий недостаток таких методов в том, что обычный человек практически не способен умышленно изменять частотные составляющие ЭЭГ-сигналов по собственному желанию. Изменения частотной и временной областей ЭЭГ обычно происходят непроизвольно. Они связаны с реакцией мозга либо на внешние раздражители, либо на общее состояние организма.

В ООО «Брейнстарт» (Москва) осуществлена разработка программного обеспечения для программно-аппаратного комплекса пассивного речевого картирования. Целью работы являлся синтез математического алгоритма для пространственно-временной локализации — по анализу электрической активности головного мозга — функционально специфических сетей головного мозга, ответственных за генерацию речи. Для достижения поставленной цели в работе использовались следующие методы: цифровая обработка сигнала, машинное обучение, математическое моделирование, визуализация данных, программирование.

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского выполнил исследование «Разработка и реализация нейроинтерфейсного устройства профилактики и снижения постинсультных когнитивных нарушений». Проект направлен на разработку методики реабилитации постинсультных пациентов с нарушениями двигательной активности. Методика основана на распознавании воображаемой двигательной активности кисти руки пациента. За первый год проекта все запланированные задачи полностью выполнены. Изучены особенности биоэлектрической активности мозга у пациентов с моторными нарушениями, возникшими в острый период после инсульта. Основной целью являлось определение характерных особенностей (маркеров) изменений электрической активности головного мозга для пациентов после инсульта, наблюдающихся в процессе двигательной активности. Выполнена разработка объективных методов поиска и оценки выраженности паттернов воображаемой и реальной двигательной активности для пациентов в постинсультном периоде.

Микроэлектронные технологии формирования мультимасштабных имплантируемых нейроинтерфейсов живых — технических систем для управления передачей болевых сигналов в мозг — тема исследования в Московском институте электронной техники. Объект исследования — механизмы, закономерности и микроэлектронные технологии мультимасштабного формирования нейроинтерфейсов живых — технических систем для управления передачей болевых сигналов в мозг, имплантируемые нейростимуляторы с биологическими обратными связями. Написанное выше длинное предложение проще означает возможность подавления передачи в мозг болевых сигналов. А это чрезвычайно важно для реабилитационной медицины при лечении хронической боли у людей, в том числе с травмами спинного мозга и периферических нервов. Результатом исследований должно стать создание междисциплинарного базиса фундаментальных знаний для разработки первого отечественного имплантируемого нейростимулятора с биологическими обратными связями на отечественных биосовместимых композиционных наноматериалах и электронно-компонентной базе.

В Южном федеральном университете в нынешнем году создана молодежная лаборатория «Нейроинтерфейсы». Ее задача — разработка аппаратно-программной базы для устойчивой регистрации (через нейроинтерфейсы) жизненно важных показателей организма. Это необходимо для новых систем длительного мониторинга функционального состояния человека, для прогнозирования и выявления предпатологий и патологий сердечно-сосудистой и нервной систем.

Заключение

Несмотря на большую популярность и экспоненциальный рост исследований по проблеме нейроинтерфейсов, их потенциальная эффективность пока не реализована. В исследованиях и разработках существует ряд проблем, например адекватного выбора мозговых сигналов, используемых для контроля интерфейсов. Дело в том, что для разных систем организма существуют свои резонансные частоты, играющие координирующую роль в настройке организма на оптимальное функционирование. Конкретные параметры эндогенных ритмов значительно варьируются от индивида к индивиду, но демонстрируют высокую стабильность у каждого данного человека.

У создателей современных нейроинтерфейсов популярен ассоциативный образ игры на фортепьяно в брезентовых рабочих рукавицах — пытаясь нажимать на нужные клавиши, пианист неизбежно будет также нажимать на соседние, производя сумбур вместо музыки.

Перспективными тенденциями современных исследований является сочетание разных вариантов технологии нейроинтерфейсов или одновременное использование разных эндогенных ритмов. Такие мультимодальные, полисенсорные или гибридные нейроинтерфейсы позволяют применять комплексную обратную связь от эндогенных ритмических процессов персонажа и дополнительно задействовать интегративные и адаптационные механизмы функционирования центральной нервной системы.

Анализ патентов показывает, что технологии нейроинтерфейсов уже играют заметную роль в арсенале нелекарственных средств оптимизации функционального состояния и когнитивной реабилитации человека. Особое место в данной линии разработок принадлежит нейроинтерфейсам, использующим эндогенные ритмы биоэлектрической активности мозга, сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

Следующий этап — управление роботами, дронами, гаджетами и прочим железом силой мысли — только-только исследуется.

Владимир Тесленко, кандидат химических наук